JP4575250B2 - Scanning probe microscope - Google Patents

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    • G01Q10/00Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/02Coarse scanning or positioning

Description

本発明は、試料の表面にプローブを近接させて走査することにより、サンプルの表面形状や粘弾性等の各種の物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to a scanning probe microscope that measures various physical property information such as the surface shape and viscoelasticity of a sample by scanning the probe close to the surface of the sample.

金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料、絶縁物等の試料を微小領域にて測定し、試料の粘弾性等の物性情報や試料の表面形状の観察等を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)が知られている。   As a device for measuring samples of metals, semiconductors, ceramics, resins, polymers, biomaterials, insulators, etc. in a micro area and observing physical property information such as viscoelasticity of the sample and surface shape of the sample, etc. A probe microscope (SPM) is known.

これら走査型プローブ顕微鏡の中には、サンプルが載置されるサンプルホルダと、サンプルの表面に近接させる先端にプローブを有し、試料の表面に近接させるカンチレバーを備えたものが周知となっている(例えば、特許文献1参照)。そして、これらサンプルホルダとプローブとをサンプル面内のX、Y方向に相対的に走査させ、この走査中にカンチレバーの変位量を測定しながら、サンプルホルダまたはプローブをZ方向に動作させて、サンプルとプローブの距離制御を行うことにより、表面形状や各種物性情報を測定するようになっている。   Among these scanning probe microscopes, those having a sample holder on which a sample is placed and a cantilever that has a probe at the tip close to the surface of the sample and close to the surface of the sample are well known. (For example, refer to Patent Document 1). Then, the sample holder and the probe are relatively scanned in the X and Y directions in the sample surface, and the sample holder or the probe is moved in the Z direction while measuring the displacement amount of the cantilever during the scanning, and the sample is moved. By controlling the distance between the probe and the probe, the surface shape and various physical property information are measured.

また、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡を組み合わせて、光学顕微鏡による明視野観察、暗視野観察、微分干渉観察、位相差観察、蛍光観察などから得られる情報からサンプル表面上の被測定箇所を特定し、被測定箇所にプローブを位置決めして、走査型プローブ顕微鏡により、さらに高分解能で表面形状や各種物性情報の測定が行われている。(例えば、特許文献2参照、特許文献3参照)
図9に第一の従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す。
In addition, by combining an optical microscope and a scanning probe microscope, the measurement location on the sample surface can be identified from information obtained from bright field observation, dark field observation, differential interference observation, phase difference observation, fluorescence observation, etc. Then, a probe is positioned at a location to be measured, and surface shape and various physical property information are measured at a higher resolution by a scanning probe microscope. (For example, see Patent Document 2 and Patent Document 3)
FIG. 9 shows the configuration of a first conventional scanning probe microscope.

この従来技術では、支持基材220上に、先端にプローブを有するカンチレバー224と、カンチレバーの変位を検出するための光てこ光学系、および、カンチレバー224をサンプルに対してスキャンさせるための三軸微動機構が配置され走査型プローブ顕微鏡ユニットが構成されている。   In this prior art, a cantilever 224 having a probe at the tip on a support base 220, an optical lever optical system for detecting displacement of the cantilever, and triaxial fine movement for scanning the cantilever 224 with respect to a sample A mechanism is arranged to constitute a scanning probe microscope unit.

光てこ光学系は、半導体レーザ271と、コリメートレンズ(図示せず)、偏光ビームスプリッタ282、1/4波長板283、反射鏡275、277、278、集光レンズ284、4分割フォトダイオードよりなるポジションセンサ273により構成される。半導体レーザ271から出た出射光は、コリメートレンズにより平行光に変換される。変換された平行光は偏光ビームスプリッタ282を通過する。このとき、偏光ビームスプリッタ282にp偏光成分が入射するように半導体レーザ271の向きを調整しておく。偏光ビームスプリッタ282を出たp偏光成分は1/4波長板283を通過して円偏光に変換される。そのあと、反射板275で光路を変換し、集光レンズ284を通り、反射板277、反射板278で光路を変換して、カンチレバー224の背面に集光される。カンチレバー224からの反射光は、前述の光路と逆の光路をとおり、1/4波長板283によりs偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ282に入射する。s偏光成分は、偏光ビームスプリッタ282を透過せずに反射して光路を曲げられて、4分割フォトディテクタ273に入射する。カンチレバー224が撓んだ場合、4分割フォトディテクタ273上のスポットが動き、4分割フォトディテクタ273の出力信号によりカンチレバー224の撓みを検出することができる。   The optical lever optical system includes a semiconductor laser 271, a collimating lens (not shown), a polarizing beam splitter 282, a quarter wavelength plate 283, reflecting mirrors 275, 277, 278, a condensing lens 284, and a four-division photodiode. The position sensor 273 is configured. The outgoing light emitted from the semiconductor laser 271 is converted into parallel light by the collimating lens. The converted parallel light passes through the polarization beam splitter 282. At this time, the direction of the semiconductor laser 271 is adjusted so that the p-polarized component is incident on the polarization beam splitter 282. The p-polarized component exiting the polarization beam splitter 282 passes through the quarter wavelength plate 283 and is converted into circularly polarized light. After that, the light path is converted by the reflection plate 275, passes through the condenser lens 284, is converted by the reflection plate 277 and the reflection plate 278, and is condensed on the back surface of the cantilever 224. The reflected light from the cantilever 224 passes through the optical path opposite to the optical path described above, is converted to s-polarized light by the quarter-wave plate 283, and enters the polarization beam splitter 282. The s-polarized component is reflected without being transmitted through the polarization beam splitter 282, is bent in the optical path, and enters the quadrant photodetector 273. When the cantilever 224 is bent, the spot on the quadrant photodetector 273 moves, and the deflection of the cantilever 224 can be detected by the output signal of the quadrant photodetector 273.

カンチレバー224はX方向微動機構251、Y方向微動機構222、Z方向微動機構223より構成される3軸微動機構のZ方向微動機構223に固定されており、X方向微動機構251とY方向微動機構222によりサンプル面内でスキャンされ、Z方向微動機構223によりサンプル表面とプローブ間の距離制御が行われる。   The cantilever 224 is fixed to a Z-direction fine movement mechanism 223 of a three-axis fine movement mechanism composed of an X-direction fine movement mechanism 251, a Y-direction fine movement mechanism 222, and a Z-direction fine movement mechanism 223. The sample surface is scanned by 222, and the distance between the sample surface and the probe is controlled by the Z-direction fine movement mechanism 223.

ここで、支持基材220には2本のマイクロメータ261とステッピングモータ262に接続された1本の差動マイクロメータ263が取り付けられてZ軸粗動機構が構成される。Z軸粗動機構はそれぞれのマイクロメータのヘッドの先端部がベースプレート(図示せず)上に載せられ走査型プローブ顕微鏡ユニットが3点で支持されている。プローブをベースプレート上に置かれたサンプルに近接させる場合には、ユニットの側面からプローブとサンプルを目視観察しながら、あらかじめ3本のマイクロメータ261、263で両者を大まかに近接させたあと、光てこ光学系の信号を見ながら、ステッピングモータ262で差動マイクロメータ263を少しづつ動かして、プローブとサンプルを近接させる。   Here, two micrometers 261 and one differential micrometer 263 connected to the stepping motor 262 are attached to the support base material 220 to constitute a Z-axis coarse movement mechanism. In the Z-axis coarse movement mechanism, the tip of each micrometer head is placed on a base plate (not shown), and the scanning probe microscope unit is supported at three points. When the probe is brought close to the sample placed on the base plate, the probe and the sample are visually observed from the side of the unit, and the two micrometers 261 and 263 are brought close to each other in advance, and then the optical lever is used. While watching the signal of the optical system, the differential micrometer 263 is moved little by little by the stepping motor 262 to bring the probe and the sample close to each other.

このように構成された走査型プローブ顕微鏡ユニットは、市販の倒立型顕微鏡のベースプレート上に載置してベースプレート上のサンプルの測定に使用されている。   The scanning probe microscope unit configured as described above is mounted on a base plate of a commercially available inverted microscope and used for measuring a sample on the base plate.

次に、図10(a)に、光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡の第二の従来例の概観図を示す。   Next, FIG. 10A shows an overview of a second conventional example of a scanning probe microscope provided with an optical microscope.

光学顕微鏡として用いた倒立顕微鏡は、一般に市販されている倒立顕微鏡を使用している。この倒立顕微鏡のフレーム330に取り付けられたベースプレート311上に支柱313を介して走査型プローブ顕微鏡ユニット314が取り付けられている。   The inverted microscope used as the optical microscope is a commercially available inverted microscope. A scanning probe microscope unit 314 is attached to a base plate 311 attached to the frame 330 of the inverted microscope via a support column 313.

走査型プローブ顕微鏡ユニット314の構成を図10(b)に示す。走査型プローブ顕微鏡ユニット314は、先端にプローブ315が設けられたカンチレバー328を保持するためのカンチレバーホルダ326と、カンチレバー328の変位を検出するための変位検出機構318、ベースプレート311上に置かれたサンプル342とプローブ315を相対的にスキャンさせるための三軸微動機構316により構成される。   The configuration of the scanning probe microscope unit 314 is shown in FIG. The scanning probe microscope unit 314 includes a cantilever holder 326 for holding a cantilever 328 provided with a probe 315 at the tip, a displacement detection mechanism 318 for detecting displacement of the cantilever 328, and a sample placed on a base plate 311. The three-axis fine movement mechanism 316 for relatively scanning the 342 and the probe 315 is configured.

三軸微動機構316は円筒型の圧電素子により構成されて、圧電素子を伸縮させることで、プローブ315とサンプル342間の距離を調整し、圧電素子を撓ませることでプローブ315をサンプル342面内で走査させる。円筒型圧電素子の先端には光てこ方式の変位検出機構318が固定され、さらに変位検出機構318に固定されたカンチレバーホルダ326を介してカンチレバー328が固定されている。変位検出機構318は半導体レーザ320からの出射光をダイクロイックミラー322でカンチレバー328方向に曲げて、カンチレバー328の背面に照射し、カンチレバー328の背面からの反射光をスポット位置センサ324で受光して、スポット位置センサ324の信号によりカンチレバー328の撓み量を検出する。   The triaxial fine movement mechanism 316 is composed of a cylindrical piezoelectric element. The distance between the probe 315 and the sample 342 is adjusted by expanding and contracting the piezoelectric element, and the probe 315 is moved in the plane of the sample 342 by bending the piezoelectric element. Scan with. An optical lever type displacement detection mechanism 318 is fixed to the tip of the cylindrical piezoelectric element, and a cantilever 328 is fixed via a cantilever holder 326 fixed to the displacement detection mechanism 318. The displacement detection mechanism 318 bends the emitted light from the semiconductor laser 320 in the direction of the cantilever 328 by the dichroic mirror 322, irradiates the back surface of the cantilever 328, and receives the reflected light from the back surface of the cantilever 328 by the spot position sensor 324. A deflection amount of the cantilever 328 is detected by a signal of the spot position sensor 324.

走査型プローブ顕微鏡ユニット314はコンデンサレンズ316を有する倒立顕微鏡の照明装置317と、サンプル342下面側に配置された対物レンズ332の間に配置されており、コンデンサレンズ316からの照明光は円筒型圧電素子が固定される支持部319の透過孔321、円筒型圧電素子316の内部、光てこ系のダイクロイックミラー322を透過してサンプル342に照射され、サンプル342を透過した光が対物レンズ332により集光されて、プローブ315とサンプル342の像が観察される。   The scanning probe microscope unit 314 is arranged between the illumination device 317 of the inverted microscope having the condenser lens 316 and the objective lens 332 arranged on the lower surface side of the sample 342, and the illumination light from the condenser lens 316 is cylindrical piezoelectric. The sample 342 is irradiated through the transmission hole 321 of the support portion 319 to which the element is fixed, the inside of the cylindrical piezoelectric element 316 and the optical lever dichroic mirror 322, and the light transmitted through the sample 342 is collected by the objective lens 332. It is illuminated and images of probe 315 and sample 342 are observed.

ここで、走査型プローブ顕微鏡ユニット314は支柱313に取り付けられており、通常支柱部313に倒立顕微鏡の光軸方向に沿って、プローブ315をサンプル342に近接させるZ軸粗動機構が設けられる。
特開2000−346784号公報 特開平10−19906号公報 特開平9−166602号公報
Here, the scanning probe microscope unit 314 is attached to the support column 313, and the Z-axis coarse movement mechanism for bringing the probe 315 close to the sample 342 along the optical axis direction of the inverted microscope is provided on the normal support unit 313.
JP 2000-346784 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-19906 Japanese Patent Laid-Open No. 9-166602

しかしながら、図9に示した第一の従来技術の走査型プローブ顕微鏡ユニットでは、プローブとサンプルを近接する場合に、差動マイクロメータ263のヘッド部をステッピングモータ262で上下させると、2本のマイクロメータ261のヘッドを支点として、プローブが円弧運動で動作する。このため、サンプルとプローブ先端の位置がずれてしまい位置合わせが困難である。   However, in the first conventional scanning probe microscope unit shown in FIG. 9, when the probe and the sample are brought close to each other, when the head portion of the differential micrometer 263 is moved up and down by the stepping motor 262, two micrometers are used. Using the head of the meter 261 as a fulcrum, the probe operates in a circular motion. For this reason, the positions of the sample and the probe tip are misaligned, making alignment difficult.

また、走査型プローブ顕微鏡ユニットの大きさに比較して3本のマイクロメータ261、263のヘッド部は直径が小さいため、走査型プローブ顕微鏡ユニットの支持剛性が低く振動により測定データに振動ノイズが載ってしまう。また、測定場所の温度変化により、マイクロメータのヘッド部や走査型プローブ顕微鏡ユニットが熱膨張し、それにより測定精度が悪化する。   In addition, since the head portions of the three micrometers 261 and 263 are smaller in diameter than the size of the scanning probe microscope unit, the support rigidity of the scanning probe microscope unit is low and vibration noise is added to the measurement data due to vibration. End up. In addition, due to the temperature change at the measurement location, the micrometer head and the scanning probe microscope unit are thermally expanded, thereby degrading the measurement accuracy.

また、図10のように構成された第二の従来技術の走査型プローブ顕微鏡では、走査型プローブ顕微鏡ユニット314が支柱313に対して片持ち支持された構成であるために、支持剛性が低く振動により測定データにノイズが載ってしまう。   Further, in the second conventional scanning probe microscope configured as shown in FIG. 10, since the scanning probe microscope unit 314 is cantilevered with respect to the support column 313, the support rigidity is low and vibration is caused. As a result, noise appears in the measurement data.

また、走査型プローブ顕微鏡と組み合わせた倒立顕微鏡の機能を十分に発揮して、走査型プローブ顕微鏡による測定前のプローブとサンプルの位置合わせ精度を上げるためには、対物レンズを交換可能とし、低倍率の対物レンズから、高倍率の対物レンズに交換して測定を行う必要がある。高倍率の対物レンズでは、作動距離は数mm〜数百μmと微小であり、また、照明用コンデンサレンズの作動距離も十分な照明効率を確保するためには開口数0.5程度のコンデンサレンズをサンプルに対して約30mm程度まで接近させる必要がある。   In addition, in order to fully demonstrate the function of an inverted microscope combined with a scanning probe microscope and improve the alignment accuracy of the probe and sample before measurement by the scanning probe microscope, the objective lens can be exchanged and low magnification It is necessary to replace the objective lens with a high-magnification objective lens for measurement. A high-magnification objective lens has a working distance as small as several millimeters to several hundreds of micrometers, and a condenser lens with a numerical aperture of about 0.5 in order to ensure sufficient illumination efficiency. Needs to approach the sample to about 30 mm.

図10の従来例では走査型プローブ顕微鏡ユニットと支柱に設けられたZ軸粗動機構の光軸方向の高さが高くなるため、コンデンサレンズをサンプルに近づけることができない。このため、作動距離が長く開口数の小さいコンデンサレンズしか使用できず、せっかく倒立顕微鏡と組み合わせても倒立顕微鏡の機能を十分に使用できず、光学顕微鏡により被測定箇所への位置決めが困難であった。   In the conventional example of FIG. 10, since the height in the optical axis direction of the Z-axis coarse movement mechanism provided on the scanning probe microscope unit and the support column is increased, the condenser lens cannot be brought close to the sample. For this reason, only a condenser lens with a long working distance and a small numerical aperture can be used, and even if it is combined with an inverted microscope, the function of the inverted microscope cannot be fully used, and it is difficult to position the measured position with an optical microscope. .

このような問題点に鑑みて、本発明では、支持剛性が高く、サンプル面内に垂直な方向に直進しながら近接可能なZ軸粗動機構を持つ走査型プローブ顕微鏡を提供する。このとき、プローブとサンプルの近接状況を確認するために側面から両者の観察を行えるような構造とする。   In view of such problems, the present invention provides a scanning probe microscope having a Z-axis coarse movement mechanism that has high support rigidity and can approach while moving straight in a direction perpendicular to the sample surface. At this time, in order to confirm the proximity state of the probe and the sample, the structure is such that both can be observed from the side.

さらに、本発明では光学顕微鏡と組み合わせた場合に、対物レンズや照明装置をサンプルに十分近接できるように薄型のユニットで構成できるようなZ軸粗動機構を持つ走査型プローブ顕微鏡を提供する。   Furthermore, the present invention provides a scanning probe microscope having a Z-axis coarse movement mechanism that can be configured with a thin unit so that an objective lens and an illumination device can be sufficiently close to a sample when combined with an optical microscope.

さらに、本発明では測定環境により温度ドリフトの影響を受けないような走査型プローブ顕微鏡を提供する。   Furthermore, the present invention provides a scanning probe microscope that is not affected by temperature drift due to the measurement environment.

上記課題を解決するために、本発明では以下の手段により走査型プローブ顕微鏡を構成した。   In order to solve the above problems, a scanning probe microscope is configured by the following means in the present invention.

プローブとサンプルホルダ上に載置されたサンプル間の高さ方向の距離を制御しながら、サンプル面内で前記プローブとサンプルを相対的に移動させる走査型プローブ顕微鏡において、前記プローブとサンプル表面とを近接させるZ軸粗動機構を、サンプル面内と垂直な方向に移動する上面移動テーブルを有し、前記Z軸粗動機構に上面から低面にかけて中空の開口部を設け、中空開口部の周囲を取り囲む前記Z軸粗動機構側面の外周部から内周部にかけて切欠を設けた構造とし、前記中空開口部に前記プローブまたは前記サンプルホルダのいずれかを含む走査型プローブ顕微鏡のユニットを配置し、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットを前記上面移動テーブルに固定し、プローブとサンプル表面を近接できるようにした。   In a scanning probe microscope in which the probe and the sample are relatively moved within a sample plane while controlling the distance in the height direction between the probe and the sample placed on the sample holder, the probe and the sample surface are The Z-axis coarse movement mechanism to be brought close has an upper surface moving table that moves in a direction perpendicular to the sample surface, and the Z-axis coarse movement mechanism is provided with a hollow opening from the upper surface to the lower surface. And a unit of a scanning probe microscope including either the probe or the sample holder in the hollow opening, and a structure in which a notch is provided from the outer periphery to the inner periphery of the side surface of the Z-axis coarse movement mechanism The scanning probe microscope unit was fixed to the upper surface moving table so that the probe and the sample surface could be brought close to each other.

このZ軸粗動機構は、上面移動テーブル面内と平行な方向に摺動可能で第一の傾斜部を有する水平移動部と、概第一の傾斜部と摺動可能に連結される第二の傾斜部を有し前記上面移動テーブルが固定され前記上面移動テーブル面内での動きが拘束され前記上面移動テーブルと直交する方向に移動可能に配置された垂直移動部から構成され、前記水平移動部を上面移動テーブルと平行な方向に移動させ、前記第一の傾斜部により前記第二の傾斜部を押すことにより前記上面移動テーブルをテーブル面に垂直方向に移動させるように構成した。   This Z-axis coarse movement mechanism is slidably connected in a direction parallel to the surface of the upper surface moving table and has a first moving portion and a second moving portion slidably connected to the first inclined portion. The upper surface moving table is fixed, the movement in the upper surface moving table surface is restricted, and the vertical moving unit is arranged to be movable in a direction orthogonal to the upper surface moving table, and the horizontal movement The upper surface moving table is moved in the direction perpendicular to the table surface by moving the portion in a direction parallel to the upper surface moving table and pushing the second inclined portion by the first inclined portion.

また、前記Z軸粗動機構の上面移動テーブル上に、上面移動テーブル面内で移動可能な第二のステージを固定し、該第二のステージを介して、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットを前記上面移動テーブルに固定した。   Further, a second stage movable within the upper surface moving table surface is fixed on the upper surface moving table of the Z-axis coarse movement mechanism, and the scanning probe microscope unit is connected to the upper surface through the second stage. Fixed to a moving table.

また、前記中空開口部に顕微鏡用照明装置の一部または全部が配置されるようにした。このとき照明装置は開口数0.5以上のコンデンサレンズが含まれるようにした。   In addition, a part or all of the microscope illumination device is arranged in the hollow opening. At this time, the illumination apparatus includes a condenser lens having a numerical aperture of 0.5 or more.

また、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに取り付けられたプローブに対向する位置に、透過孔を有するサンプルホルダを配置し、該サンプルホルダに対して前記プローブと対向する側に対物レンズを配置した。   In addition, a sample holder having a transmission hole was arranged at a position facing the probe attached to the scanning probe microscope unit, and an objective lens was arranged on the side facing the probe with respect to the sample holder.

また、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに取り付けられたサンプルホルダに対向する位置にプローブを配置し、該プローブに対して前記サンプルホルダと対向する位置に対物レンズを配置した。   In addition, a probe was disposed at a position facing the sample holder attached to the scanning probe microscope unit, and an objective lens was disposed at a position facing the sample holder with respect to the probe.

また、前記中空開口部に対物レンズまたは集光レンズを配置した。   In addition, an objective lens or a condenser lens is disposed in the hollow opening.

さらに、本発明では、前記Z軸粗動機構が設置されるベースプレートにサンプルホルダまたはプローブを固定し、前記サンプルホルダおよび前記ベースプレートおよび前記Z軸粗動機構および前記走査型プローブ顕微鏡ユニットを実質的に同一の材質で構成した。さらに前記材質を、熱膨張係数が4×10-6/K以下の低膨張材料とし、前記サンプルホルダおよび前記ベースプレートおよび前記Z軸粗動機構および前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの全質量のうち、80%以上が同一の材質で構成されるようにした。 Furthermore, in the present invention, a sample holder or a probe is fixed to a base plate on which the Z-axis coarse movement mechanism is installed, and the sample holder, the base plate, the Z-axis coarse movement mechanism, and the scanning probe microscope unit are substantially included. Made of the same material. Furthermore, the material is a low expansion material having a thermal expansion coefficient of 4 × 10 −6 / K or less, and 80% of the total mass of the sample holder, the base plate, the Z-axis coarse movement mechanism, and the scanning probe microscope unit. % Or more are made of the same material.

以上のように走査型プローブ顕微鏡を構成することで、中空開口部を取り囲む上面移動テーブル面で広範囲に亘り走査型プローブ顕微鏡ユニットを支持することができるため支持剛性を高くすることができ、走査型プローブ顕微鏡の測定像への振動の影響を低減できる。   By configuring the scanning probe microscope as described above, the scanning probe microscope unit can be supported over a wide range by the upper surface moving table surface surrounding the hollow opening, so that the support rigidity can be increased, and the scanning type The influence of vibration on the measurement image of the probe microscope can be reduced.

また、Z軸粗動機構の外周部から内周部に切欠を設けているので、側面からプローブとサンプルの状態を観察でき近接状況を目視観察できる。また、第二のステージによりプローブをサンプル面内で移動できるため、プローブの面内の位置合わせも容易に行うことが可能で、操作性が向上する。   Moreover, since the notch is provided from the outer peripheral portion to the inner peripheral portion of the Z-axis coarse movement mechanism, the state of the probe and the sample can be observed from the side surface, and the proximity state can be visually observed. In addition, since the probe can be moved in the sample plane by the second stage, alignment within the probe plane can be easily performed, and operability is improved.

さらに、Z軸粗動機構が平面状に展開されたZステージ構造としているため、ユニット全体の高さを薄くでき、高い開口数のコンデンサレンズや対物レンズをサンプルに近づけることが可能で光学顕微鏡の観察性能が上がり、位置決め精度が向上する。   Furthermore, since the Z-axis coarse movement mechanism has a flat Z-stage structure, the overall height of the unit can be reduced, and a condenser lens or objective lens with a high numerical aperture can be brought closer to the sample. Observation performance is improved and positioning accuracy is improved.

また、熱により各材料が膨張してもお互いに膨張量を補償することができ、熱によるドリフトの影響が抑制されて、走査型プローブ顕微鏡の測定精度が向上する。   Further, even if each material expands due to heat, the amount of expansion can be compensated for each other, the influence of drift due to heat is suppressed, and the measurement accuracy of the scanning probe microscope is improved.

以下、本発明の走査型プローブ顕微鏡について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, the scanning probe microscope of the present invention will be described with reference to the drawings.

本実施例においては、カンチレバーを共振周波数付近で振動させながらサンプルに近づけ、振巾や位相の変化量により、プローブと試料間の距離を一定に保ちながら走査するDFMモード(Dynamic Force Mode)による測定を行うものとする。   In this embodiment, the measurement is performed in a DFM mode (Dynamic Force Mode) in which the cantilever is moved close to the sample while vibrating near the resonance frequency, and scanning is performed while keeping the distance between the probe and the sample constant by the amount of change in amplitude and phase. Shall be performed.

図1に本発明の第一実施例による走査型プローブ顕微鏡について、(a)は走査型プローブ顕微鏡の正面図であり、(b)は(a)において符号Aによって示す領域の拡大図を示す。   FIG. 1A is a front view of a scanning probe microscope according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of a region indicated by symbol A in FIG.

この走査型プローブ顕微鏡1は、市販の倒立顕微鏡と組み合わせたものであり、図1(a)および(b)に示すように、除振台2に設置された走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3と、この走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3のベースプレート13に設けられた走査型プローブ顕微鏡ユニット4およびZ軸粗動機構110およびZ軸粗動機構の上面に設けられたXYステージ140と、走査型プローブ顕微鏡ユニット4の下方に設けられた光学顕微鏡部(倒立顕微鏡)8と、この走査型プローブ顕微鏡ユニット4の上方に設けられ、光学顕微鏡部8のフレーム部50に連なる照明装置5とを備えている。   This scanning probe microscope 1 is a combination with a commercially available inverted microscope. As shown in FIGS. 1A and 1B, a scanning probe microscope unit base 3 installed on a vibration isolation table 2 and The scanning probe microscope unit 4 provided on the base plate 13 of the scanning probe microscope unit base 3, the XY stage 140 provided on the upper surface of the Z-axis coarse movement mechanism 110, the Z-axis coarse movement mechanism, and the scanning probe An optical microscope unit (inverted microscope) 8 provided below the microscope unit 4 and an illumination device 5 provided above the scanning probe microscope unit 4 and connected to the frame unit 50 of the optical microscope unit 8 are provided. .

光学顕微鏡部8は、XYステージ31を介して除振台2に載置されている。このXYステージ31は光学顕微鏡部8に設置された対物レンズ10の光軸中心にサンプルを位置合わせするためのサンプル位置調整機構として作用する。   The optical microscope unit 8 is placed on the vibration isolation table 2 via the XY stage 31. The XY stage 31 functions as a sample position adjusting mechanism for aligning the sample with the center of the optical axis of the objective lens 10 installed in the optical microscope unit 8.

走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3は、除振台2から垂直に延びる4本の支柱12により4隅を支持された、平板状のベースプレート13を備えて構成されるものである。このベースプレート13は熱膨張を抑えるためFe−36Niの成分からなる低膨張材料であるインバー材(熱膨張係数0.5〜2×10-6/K)を用いている。 The scanning probe microscope unit base unit 3 includes a flat base plate 13 supported at four corners by four support columns 12 extending vertically from the vibration isolation table 2. The base plate 13 uses an invar material (thermal expansion coefficient: 0.5 to 2 × 10 −6 / K), which is a low expansion material made of Fe-36Ni, in order to suppress thermal expansion.

ここで、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3は光学顕微鏡部8のフレーム部50には固定されておらず、光学顕微鏡部3に対して独立している。   Here, the scanning probe microscope unit base unit 3 is not fixed to the frame unit 50 of the optical microscope unit 8 and is independent of the optical microscope unit 3.

ベースプレート13の中央部には、ベースプレート開口部15が形成されており、このベースプレート開口部15内に、サンプルSが載置されるサンプルホルダ16が設けられており、このサンプルホルダ16の中央にはサンプルホルダ開口部17が形成されている。サンプルホルダ16は、後述するサンプル微動機構部27により、Z方向に沿って微動するようになっている。なお、Z方向とは、サンプルSの表面およびサンプルホルダ16に垂直な方向であって、光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡1の高さ方向をいう。   A base plate opening 15 is formed at the center of the base plate 13, and a sample holder 16 on which the sample S is placed is provided in the base plate opening 15. A sample holder opening 17 is formed. The sample holder 16 is finely moved along the Z direction by a sample fine movement mechanism 27 described later. The Z direction is a direction perpendicular to the surface of the sample S and the sample holder 16 and refers to the height direction of the scanning probe microscope 1 provided with an optical microscope.

サンプルホルダ16の上面には、上述の走査型プローブ顕微鏡ユニット4が設置されている。走査型プローブ顕微鏡ユニット4は、後述するプローブ微動機構部26を備えており、このプローブ微動機構部26には、左右と後ろ側に合計3箇所のクランク状のクランク固定部30が設けられている。そして、クランク固定部30により、プローブ微動機構部26は、その中心がサンプルホルダ開口部17に一致するようにXYステージ140を介してZ軸粗動機構110に固定されている。   On the upper surface of the sample holder 16, the above-described scanning probe microscope unit 4 is installed. The scanning probe microscope unit 4 includes a probe fine movement mechanism portion 26 described later. The probe fine movement mechanism portion 26 is provided with a total of three crank-shaped crank fixing portions 30 on the left and right sides and the rear side. . The probe fine movement mechanism section 26 is fixed to the Z-axis coarse movement mechanism 110 via the XY stage 140 by the crank fixing section 30 so that the center thereof coincides with the sample holder opening section 17.

なお、プローブ微動機構部26およびサンプル微動機構部27は、走査型プローブ顕微鏡用三軸微動機構を構成するものである。   The probe fine movement mechanism section 26 and the sample fine movement mechanism section 27 constitute a triaxial fine movement mechanism for a scanning probe microscope.

プローブ微動機構部26の下面には、カンチレバー20を支持する大気中測定と溶液中測定兼用のカンチレバーホルダ22が設けられている。カンチレバーホルダ22の中央には、ガラスからなるガラスホルダ23が設けられている。   On the lower surface of the probe fine movement mechanism portion 26, a cantilever holder 22 that supports the cantilever 20 and is used for measurement in air and measurement in solution is provided. In the center of the cantilever holder 22, a glass holder 23 made of glass is provided.

このガラスホルダ23を用いて溶液中で測定を行う場合には、サンプルSとガラスホルダ23との間に、液の粘性による膜を形成させることにより、液中測定時の照明光の乱反射等を防止する。   When measurement is performed in a solution using the glass holder 23, a film due to the viscosity of the liquid is formed between the sample S and the glass holder 23 so that irregular reflection of illumination light at the time of measurement in the liquid is performed. To prevent.

なお、カンチレバー20は、長尺状のものに限定されず、平面視して三角形状のものや、断面が円形で光ファイバーの先端を先鋭化して湾曲させた近接場顕微鏡用のベントプローブ、あるいはカンチレバーの代わりに走査型トンネル顕微鏡や近接場顕微鏡用のストレート型のプローブなども本発明に含まれる。   The cantilever 20 is not limited to a long one, but has a triangular shape in plan view, a bent probe for a near-field microscope having a circular cross section and a sharpened tip of an optical fiber, or a cantilever. Instead of this, a straight type probe for a scanning tunnel microscope or a near-field microscope is also included in the present invention.

カンチレバー20は、サンプルホルダ開口部17の上方に設けられている。カンチレバー20の先端には、先鋭化されたプローブ21が設けられており、後端は、カンチレバーホルダー22に固定されている。これにより、カンチレバー20は、プローブ21が設けられた先端側が自由端となるように片持ち支持されている。また、カンチレバー20は、不図示の加振手段により、Z方向に沿って所定の周波数及び振幅で振動され、さらに、プローブ微動機構部26により、サンプルホルダ16に対して、X、Y方向に微動するようになっている。なお、XY方向とは、サンプルSの表面およびサンプルホルダ16に平行な互いに直交する方向であって、Z方向と直交する方向をいう。さらに、X方向とは、光学顕微鏡付の走査型プローブ顕微鏡1の幅方向をいい、Y方向とは、走査型プローブ顕微鏡1の奥行方向をいうものとする。   The cantilever 20 is provided above the sample holder opening 17. A sharpened probe 21 is provided at the front end of the cantilever 20, and the rear end is fixed to the cantilever holder 22. Thereby, the cantilever 20 is cantilevered so that the front end side where the probe 21 is provided becomes a free end. Further, the cantilever 20 is vibrated at a predetermined frequency and amplitude along the Z direction by a vibration means (not shown), and is further finely moved in the X and Y directions with respect to the sample holder 16 by the probe fine movement mechanism unit 26. It is supposed to be. The XY direction is a direction orthogonal to each other parallel to the surface of the sample S and the sample holder 16 and is orthogonal to the Z direction. Furthermore, the X direction refers to the width direction of the scanning probe microscope 1 with an optical microscope, and the Y direction refers to the depth direction of the scanning probe microscope 1.

また、プローブ微動機構部26の近傍には、モーター駆動部112によってカンチレバー20をZ方向に粗動移動させるためのZ軸粗動機構部110が設けられており、Z軸粗動機構部110のベース111が走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3のベースプレート13に固定されている。このZ軸粗動機構部110の上面にはプローブ21をXY面内で移動させるプローブ位置調整機構として作用するXYステージ140が設けられており、このXYステージ140の上面に、走査型プローブ顕微鏡ユニット4の左右2箇所と後ろ側の合計3箇所設けられたクランク固定部30が固定されている。   Further, in the vicinity of the probe fine movement mechanism section 26, a Z-axis coarse movement mechanism section 110 is provided for roughly moving the cantilever 20 in the Z direction by the motor driving section 112. A base 111 is fixed to the base plate 13 of the scanning probe microscope unit base 3. An XY stage 140 that acts as a probe position adjusting mechanism for moving the probe 21 in the XY plane is provided on the upper surface of the Z-axis coarse movement mechanism unit 110. A scanning probe microscope unit is provided on the upper surface of the XY stage 140. The crank fixing part 30 provided in two places on the left and right of 4 and a total of three places on the rear side is fixed.

ここで、Z軸粗動機構110の詳細な構造を図2に示す。図2(a)はZ軸粗動機構の平面図、図2(b)は正面図、図2(c)は図2(a)のB−B線断面図である。   Here, the detailed structure of the Z-axis coarse movement mechanism 110 is shown in FIG. 2A is a plan view of the Z-axis coarse movement mechanism, FIG. 2B is a front view, and FIG. 2C is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 2A.

なお、図2(c)は図2(a)のC−C線断面図をとった場合にもマイクロメータ146とアーム144を除き同一の形状である。また、各図面は、構成を理解しやすいように本来なら隠れ線で見える箇所を実線で示している箇所がある。   Note that FIG. 2C has the same shape except for the micrometer 146 and the arm 144 when the sectional view taken along the line CC in FIG. 2A is taken. In addition, each drawing includes a portion that is indicated by a solid line, which is originally visible as a hidden line so that the configuration can be easily understood.

このZ軸粗動機構110は、平面視「コ」の字形状をしている。即ち、平面視四角形のZ軸粗動機構110の中央部に上面から底面にかけて貫通した中空開口部113が設けられており、さらに、Z軸粗動機構110の周囲を取り囲む側面のうち正面の外周部から内周部の側面が貫通した切欠の構造となっている。   The Z-axis coarse movement mechanism 110 has a “U” shape in plan view. That is, a hollow opening 113 penetrating from the top surface to the bottom surface is provided at the center of the Z-axis coarse movement mechanism 110 having a square shape in plan view. It has the structure of the notch which the side surface of the inner peripheral part penetrated from the part.

このZ軸粗動機構110は、平面視「コ」の字形状のベース111を有し、同じく平面視「コ」の字形状でZ軸粗動機構110の左右に後方から正面にかけて第一の傾斜面114を有し左右の傾斜面の底面115がベース111にリニアガイド116により前後方向に摺動可能に固定された水平移動部117が設けられ、さらにZ軸粗動機構110の左右に正面側から後方にかけて第二の傾斜面118を有する垂直移動部119が前記第一の傾斜面114にリニアガイド120を介して傾斜面に沿って摺動可能に固定されている。前記垂直移動部119は、平面視「コ」の字状の上面移動テーブル121に固定されており、上面移動テーブル121はテーブルの4隅の高さ方向に配置されたクロスローラガイド122により高さ方向の移動以外の動きが拘束されている。   The Z-axis coarse movement mechanism 110 has a base 111 having a “U” shape in plan view, and is also in the shape of “U” in a plan view. A horizontal moving portion 117 having an inclined surface 114 and having bottom surfaces 115 of left and right inclined surfaces fixed to the base 111 so as to be slidable in the front-rear direction by a linear guide 116 is further provided. A vertical moving portion 119 having a second inclined surface 118 from the side to the rear is fixed to the first inclined surface 114 via a linear guide 120 so as to be slidable along the inclined surface. The vertical moving unit 119 is fixed to a top surface moving table 121 having a U shape in a plan view, and the top surface moving table 121 is heightened by a cross roller guide 122 arranged in the height direction of the four corners of the table. Movement other than movement of direction is restricted.

Z軸粗動機構110の右側にはモータ駆動部112が設置されている。モータ駆動部112はステッピングモーター123とカップリング124、ボールネジ125、およびベアリングを内蔵したサポート126から構成される。   A motor drive unit 112 is installed on the right side of the Z-axis coarse movement mechanism 110. The motor drive unit 112 includes a stepping motor 123, a coupling 124, a ball screw 125, and a support 126 incorporating a bearing.

ステッピングモータ123の出力軸123aにはカップリング124を介してボールネジ125のオネジのネジ軸125aが固定されている。オネジのネジ軸125aは末端と先端部がサポート内126のベアリングに回転可能に収納されている。オネジのネジ軸125aにはメネジが設けられて内部にベアリング球が内蔵されたボールネジナット125bがはめ込まれている。ボールネジナット125bにはアーム127が取り付けられて、アーム127は前述の水平移動部117に固定されている。この状態で、モータ123を回転させると、カップリング124を介してネジ軸125aが回転し、回転方向の動きを規制されたボールネジナット125bは前後方向に移動する。このとき、アーム127を介して、水平移動部117もベース111に取り付けられたリニアガイド116にガイドされ前後方向に動作する。   A male screw shaft 125 a of the ball screw 125 is fixed to the output shaft 123 a of the stepping motor 123 via a coupling 124. The screw shaft 125a of the male screw is housed in a bearing in the support 126 so that its end and tip can be rotated. A male screw shaft 125a is provided with a female screw, and a ball screw nut 125b having a bearing ball built therein is fitted therein. An arm 127 is attached to the ball screw nut 125b, and the arm 127 is fixed to the horizontal moving portion 117 described above. When the motor 123 is rotated in this state, the screw shaft 125a rotates through the coupling 124, and the ball screw nut 125b whose movement in the rotation direction is restricted moves in the front-rear direction. At this time, the horizontal moving portion 117 is also guided by the linear guide 116 attached to the base 111 via the arm 127 and operates in the front-rear direction.

水平移動部117が前後方向に動作すると、第一の傾斜面114が、垂直移動部119の第二の傾斜面118を押す。このとき、垂直移動部119に連結された上面移動テーブル121が水平方向の動きを規制されているため、上面移動テーブル121を高さ方向に直進させることができる。   When the horizontal moving unit 117 moves in the front-rear direction, the first inclined surface 114 pushes the second inclined surface 118 of the vertical moving unit 119. At this time, since the upper surface moving table 121 connected to the vertical moving unit 119 is restricted from moving in the horizontal direction, the upper surface moving table 121 can be moved straight in the height direction.

また、上面移動テーブル121面には、平面視「コ」の字状で左右方向に移動可能なX移動テーブル141と前後方向に動作可能なY移動テーブル142より構成されるXYステージ140が設けられている。X移動テーブル141は、上面移動テーブル121の前後に左右方向に沿って設けられたクロスローラーガイド143により左右方向に案内され、Y移動テーブル142は、Y移動テーブル142の左右に前後方向に沿って設けられたクロスローラガイド144により前後方向に案内される。X移動テーブル141、Y移動テーブル142には支点となるアーム145、146が固定されており、Z軸粗動機構110の上面移動テーブル121に固定されたマイクロメータ147によりX移動テーブル141は左右方向に押され、X移動テーブルに固定されたマイクロメータ148によりY移動テーブル142が前後方向に押される。各々のマイクロメータ147、148と対向する側には圧縮バネ149、150が設けられており、マイクロメータ147、148を動作させることで任意の位置にXYステージ140を位置決めすることができる。   In addition, an XY stage 140 including an X movement table 141 that can move in the left-right direction and a Y movement table 142 that can move in the front-rear direction is provided on the top movement table 121 surface. ing. The X movement table 141 is guided in the left-right direction by a cross roller guide 143 provided along the left-right direction before and after the upper surface movement table 121, and the Y-movement table 142 is along the front-rear direction to the left and right of the Y movement table 142. Guided in the front-rear direction by the provided cross roller guide 144. Arms 145 and 146 serving as fulcrums are fixed to the X moving table 141 and the Y moving table 142, and the X moving table 141 is moved in the horizontal direction by a micrometer 147 fixed to the upper surface moving table 121 of the Z-axis coarse movement mechanism 110. The Y moving table 142 is pushed in the front-rear direction by the micrometer 148 fixed to the X moving table. Compression springs 149 and 150 are provided on the side facing each of the micrometers 147 and 148. By operating the micrometers 147 and 148, the XY stage 140 can be positioned at an arbitrary position.

なお、ベース111、水平移動部117、垂直移動部118、上面移動テーブル121、X移動テーブル141、Y移動テーブル142はベースプレート13と同じく熱膨張を抑えるためFe−36Niの成分からなる低膨張材料であるインバー材(熱膨張係数0.5〜2×10-6/K)を用いている。 The base 111, the horizontal moving unit 117, the vertical moving unit 118, the upper surface moving table 121, the X moving table 141, and the Y moving table 142 are low-expansion materials made of Fe-36Ni in order to suppress thermal expansion, like the base plate 13. A certain invar material (thermal expansion coefficient 0.5-2 × 10 −6 / K) is used.

以上のようにZ軸粗動機構110とXYステージ140を構成し、Z軸粗動機構110の中空開口部113にプローブを有する走査型プローブ顕微鏡ユニット4を配置する場合、走査型プローブ顕微鏡ユニット4は左右と後ろの3箇所荷に設けられたクランク固定部30で、XYステージ140を介してZ軸粗動機構110に固定されるためZ軸粗動機構110への支持剛性が高く、振動の影響が抑制されて走査型プローブ顕微鏡の測定データの質が向上する。   When the Z-axis coarse movement mechanism 110 and the XY stage 140 are configured as described above and the scanning probe microscope unit 4 having a probe is disposed in the hollow opening 113 of the Z-axis coarse movement mechanism 110, the scanning probe microscope unit 4 Is the crank fixing portion 30 provided at the left and right and rear three loads, and is fixed to the Z-axis coarse movement mechanism 110 via the XY stage 140, so the support rigidity to the Z-axis coarse movement mechanism 110 is high, and the vibration The influence is suppressed and the quality of the measurement data of the scanning probe microscope is improved.

また、Z軸粗動機構110とXYステージ140の正面側が外周部から内周部にかけて開口となっているので、プローブ21とサンプルSを側面から観察することができ、また、サンプル交換の際にも側面からサンプルを置くことができるため操作性が向上する。   Further, since the front side of the Z-axis coarse movement mechanism 110 and the XY stage 140 is an opening from the outer peripheral portion to the inner peripheral portion, the probe 21 and the sample S can be observed from the side surface, and when the sample is exchanged Since the sample can be placed from the side, operability is improved.

図3に図1のプローブ微動機構部26部分を拡大した平面図を示す。   FIG. 3 shows an enlarged plan view of the probe fine movement mechanism portion 26 of FIG.

本実施形態におけるプローブ微動機構部26は、図3に示すように、幅寸法の異なる矩形枠状の外フレーム48および内フレーム49を備えており、これら外フレーム48および内フレーム49は、インバー材により平面状に形成されている。また、外フレーム48と内フレーム49とは、X駆動部(第1の駆動部)52とY駆動部(第1の駆動部)51とを介して、互いに同心上に連結されており、外フレーム48および内フレーム49の上面は面一にして配されている。X駆動部52は、外フレーム48に形成されたY方向に延びるX側空洞部60内に設置されており、Y駆動部51は、同様にX方向に延びるY側空洞部57内に設置されている。   As shown in FIG. 3, the probe fine movement mechanism section 26 in this embodiment includes an outer frame 48 and an inner frame 49 having a rectangular frame shape with different width dimensions. The outer frame 48 and the inner frame 49 are made of Invar material. Is formed in a planar shape. Further, the outer frame 48 and the inner frame 49 are concentrically connected to each other via an X driving unit (first driving unit) 52 and a Y driving unit (first driving unit) 51, and The upper surfaces of the frame 48 and the inner frame 49 are flush with each other. The X drive unit 52 is installed in an X side cavity 60 formed in the outer frame 48 and extending in the Y direction, and the Y drive unit 51 is installed in a Y side cavity 57 similarly extending in the X direction. ing.

X駆動部52は、Y方向に向けられた積層型のX側圧電素子61を備えている。X側圧電素子61には、その周囲を取り囲むように、上面視して略ひし形のX側変位拡大機構部62が設けられている。そして、X側変位拡大機構部62は、X側連結部63を介して、内フレーム49に連結されている。   The X drive unit 52 includes a stacked X-side piezoelectric element 61 oriented in the Y direction. The X-side piezoelectric element 61 is provided with a substantially rhombus X-side displacement enlarging mechanism 62 as viewed from above so as to surround the periphery thereof. The X-side displacement magnifying mechanism 62 is connected to the inner frame 49 via the X-side connecting portion 63.

また、Y駆動部51は、X方向に向けられた積層型のY側圧電素子54を備えている。Y側圧電素子54には、上記と同様に、略ひし形のY側変位拡大機構部55が設けられており、Y側変位拡大機構部55は、Y側連結部56を介して、内フレーム49に連結されている。   The Y drive unit 51 includes a laminated Y-side piezoelectric element 54 oriented in the X direction. Similarly to the above, the Y-side piezoelectric element 54 is provided with a substantially rhombic Y-side displacement magnifying mechanism portion 55, and the Y-side displacement magnifying mechanism portion 55 is connected to the inner frame 49 via the Y-side connecting portion 56. It is connected to.

内フレーム49の四隅には、平行バネ67が設置されている。   Parallel springs 67 are installed at the four corners of the inner frame 49.

そして、X側圧電素子61およびY側圧電素子54に電圧を印加することにより、X側変位拡大機構部62およびY側変位拡大機構部55が、それぞれX方向、Y方向に拡大縮小し、これにより内フレーム49をXY方向に微動できるようになっている。   Then, by applying a voltage to the X-side piezoelectric element 61 and the Y-side piezoelectric element 54, the X-side displacement enlarging mechanism 62 and the Y-side displacement enlarging mechanism 55 are enlarged and reduced in the X direction and the Y direction, respectively. Thus, the inner frame 49 can be finely moved in the XY directions.

また、内フレーム49の底面には、略矩形の基板68が設けられている。基板68の中央には、Z方向にプローブ側貫通孔70が形成されている。そして、このプローブ側貫通孔70に、図1に示す光源40からの照明光が通過するようになっている。   A substantially rectangular substrate 68 is provided on the bottom surface of the inner frame 49. A probe side through hole 70 is formed in the center of the substrate 68 in the Z direction. And the illumination light from the light source 40 shown in FIG. 1 passes through this probe side through-hole 70.

なお、基板68の下面に、上述したように、カンチレバーホルダ22を介してカンチレバー20が設けられており、内フレーム49のXY方向の微動により、基板68およびカンチレバーホルダ22とともに、カンチレバー20もXY方向に微動するようになっている。   As described above, the cantilever 20 is provided on the lower surface of the substrate 68 via the cantilever holder 22, and the cantilever 20 is moved in the XY direction together with the substrate 68 and the cantilever holder 22 by the fine movement of the inner frame 49 in the XY direction. It is designed to be moved slightly.

また、外フレーム48および内フレーム49の上面には、Y方向微動量検出部73およびX方向微動量検出部74が設けられている。Y方向微動量検出部73は、内フレーム49に固定されX方向に延びるY方向ターゲット77と、外フレーム48に固定され、Y方向ターゲット77のY方向の移動量を検出するY方向センサ78とを備えている。   A Y-direction fine movement amount detection unit 73 and an X-direction fine movement amount detection unit 74 are provided on the upper surfaces of the outer frame 48 and the inner frame 49. The Y-direction fine movement amount detection unit 73 is fixed to the inner frame 49 and extends in the X direction, and a Y-direction target 77 that is fixed to the outer frame 48 and detects the amount of movement of the Y-direction target 77 in the Y direction. It has.

また、X方向微動量検出部74は、同様にして内フレーム49に固定されY方向に延びるX方向ターゲット80と、外フレーム48に固定されX方向ターゲット80のY方向の移動量を検出するX方向センサ81とを備えている。これらY方向センサ78およびX方向センサ81としては、静電容量センサが用いられるが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージや光学式変位系、差動トランスなどでもよい。   Similarly, the X-direction fine movement amount detection unit 74 is fixed to the inner frame 49 and extends in the Y direction, and the X-direction target 80 is fixed to the outer frame 48 and detects the amount of movement of the X direction target 80 in the Y direction. And a direction sensor 81. Capacitance sensors are used as the Y direction sensor 78 and the X direction sensor 81, but are not limited thereto, and may be a strain gauge, an optical displacement system, a differential transformer, or the like.

このような構成のもと、内フレーム49がX方向に微動すると、X方向ターゲット80もX方向に微動し、そのX方向の微動量をX方向センサ81が検出するようになっている。また、内フレーム部49がY方向に微動すると、Y方向ターゲット77もY方向に微動し、そのY方向の微動量をY方向センサ78が検出するようになっている。すなわち、X方向センサ81は、X方向ターゲット80および内フレーム部49を介して、カンチレバー20のX方向の微動量を検出し、Y方向センサ78は、またY方向ターゲット77および内フレーム部49を介して、カンチレバー20のY方向の微動量を検出する微動量検出手段として機能するものである。   Under such a configuration, when the inner frame 49 is finely moved in the X direction, the X direction target 80 is also finely moved in the X direction, and the X direction sensor 81 detects the amount of fine movement in the X direction. When the inner frame portion 49 is finely moved in the Y direction, the Y direction target 77 is also finely moved in the Y direction, and the Y direction sensor 78 detects the amount of fine movement in the Y direction. That is, the X direction sensor 81 detects the amount of fine movement in the X direction of the cantilever 20 via the X direction target 80 and the inner frame portion 49, and the Y direction sensor 78 also detects the Y direction target 77 and the inner frame portion 49. Thus, it functions as fine movement amount detection means for detecting the fine movement amount of the cantilever 20 in the Y direction.

X方向センサ81およびY方向センサ78は、それぞれ演算部(算出手段)83に電気的に接続されており、X方向センサ81およびY方向センサ78からの検出結果が、演算部83に入力されるようになっている。演算部83は、検出結果に応じて、印加された電圧と微動量とによって、カンチレバー20のXY方向の微動量の誤差を算出するようになっている。すなわち、演算部83は算出手段として機能するものである。さらに、演算部83は、各種制御を行う制御部84に電気的に接続されており、算出結果を制御部84に入力するようになっている。そして、この制御部84によって、印加電圧に対して、プローブ微動機構部27が線形に動作するように制御される。   The X direction sensor 81 and the Y direction sensor 78 are electrically connected to a calculation unit (calculation unit) 83, and detection results from the X direction sensor 81 and the Y direction sensor 78 are input to the calculation unit 83. It is like that. The calculation unit 83 calculates an error of the fine movement amount of the cantilever 20 in the X and Y directions based on the detection result and the applied voltage and the fine movement amount. That is, the calculation unit 83 functions as a calculation unit. Further, the calculation unit 83 is electrically connected to a control unit 84 that performs various controls, and inputs a calculation result to the control unit 84. The control unit 84 controls the probe fine movement mechanism unit 27 to operate linearly with respect to the applied voltage.

また、プローブ微動機構部26には、図1に示すように、プローブ変位検出手段としてレーザ光を発するレーザ光源44と、このレーザ光源44からのレーザ光を受光し、例えば4分割されたフォトディテクタ45とが設けられている。これらレーザ光源44およびフォトディテクタ45は、カンチレバー20の斜め上方に互いに対向して配置されている。そして、レーザ光源44から出射されたレーザ光が、カンチレバー20の上面に到達してそこで反射し、その反射光がフォトディテクタ45に到達するようになっている。   Further, as shown in FIG. 1, the probe fine movement mechanism 26 receives a laser light source 44 that emits laser light as a probe displacement detection means, and a laser light from the laser light source 44, for example, a photodetector 45 divided into four parts. And are provided. The laser light source 44 and the photo detector 45 are disposed opposite to each other at an angle above the cantilever 20. The laser light emitted from the laser light source 44 reaches the upper surface of the cantilever 20 and is reflected there, and the reflected light reaches the photodetector 45.

また、プローブ微動機構部26の上方には、上述の照明装置5が設られている。照明装置5は、照明光を発する光源40と、この光源40からの照明光を集光するためのコンデンサレンズ41(開口数0.52、作動距離30mm)とを備えている。コンデンサレンズ41は、倒立顕微鏡部8のフレーム部50に連なる照明用支柱42によって、プローブ微動機構部26の中心上方に配されて、プローブ微動機構部26に対して上下動可能に支持されている。なお、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3には照明装置5は固定されていない。   In addition, the above-described illumination device 5 is provided above the probe fine movement mechanism unit 26. The illumination device 5 includes a light source 40 that emits illumination light, and a condenser lens 41 (numerical aperture 0.52, working distance 30 mm) for condensing the illumination light from the light source 40. The condenser lens 41 is disposed above the center of the probe fine movement mechanism unit 26 by the illumination support column 42 connected to the frame unit 50 of the inverted microscope unit 8 and is supported so as to be vertically movable with respect to the probe fine movement mechanism unit 26. . The illumination device 5 is not fixed to the scanning probe microscope unit base 3.

さらに、本実施例におけるサンプル微動機構部27は、図4および図5に示すように、略長方形状に形成された機構本体部86と、この機構本体部86から、機構本体部86の厚さ方向(すなわちZ方向)に交差する方向(すなわちX方向)に延出する延出部87とを備えている。機構本体部86と延出部87はインバー材により構成される。   Further, as shown in FIGS. 4 and 5, the sample fine movement mechanism portion 27 in this embodiment includes a mechanism main body portion 86 formed in a substantially rectangular shape, and the thickness of the mechanism main body portion 86 from the mechanism main body portion 86. And an extending portion 87 extending in a direction (that is, the X direction) intersecting the direction (that is, the Z direction). The mechanism main body 86 and the extension 87 are made of Invar material.

延出部87の厚さ寸法Rは、機構本体部の厚さ寸法Mよりも小さく設定されている。そして、延出部87の上面と機構本体部86の上面とは略同一にされており、これにより、延出部87の下方には、スペースJが設けられている。   The thickness dimension R of the extending portion 87 is set smaller than the thickness dimension M of the mechanism main body. The upper surface of the extension portion 87 and the upper surface of the mechanism main body portion 86 are substantially the same, and thereby, a space J is provided below the extension portion 87.

延出部87には、Z方向に向けられたサンプルホルダ側貫通孔109が形成されており、このサンプルホルダ側貫通孔109内に、上述のサンプルホルダ16が設けられている。   A sample holder side through hole 109 oriented in the Z direction is formed in the extending portion 87, and the sample holder 16 described above is provided in the sample holder side through hole 109.

機構本体部86には、延出部87の延出方向と反対方向に延びる本体固定部91が設けられている。本体固定部91は、図1に示すテーブル13の所定の位置に固定されており、これにより、機構本体部86が片持ち支持されている。   The mechanism main body 86 is provided with a main body fixing portion 91 extending in the direction opposite to the extending direction of the extending portion 87. The main body fixing portion 91 is fixed to a predetermined position of the table 13 shown in FIG. 1, and thereby the mechanism main body portion 86 is cantilevered.

また、機構本体部86の内部に、空洞部93が設けられている。空洞部93の上内壁部94のX方向の両端のうち、本体固定部91が設けられた方の端部には、第1平行バネ101が設けられており、延出部87が設けられた方の端部には、第2平行バネ102が設けられている。一方、下内壁部97のX方向の両端のうち、延出部87が設けられた方の端部には、第3平行バネ103が、本体固定部91が設けられた方の端部には、第4平行バネ104が設けられている。また、第2平行バネ102の近傍には、上内壁部94から下方に向けて延びる下方壁部95が設けられており、第4平行バネ104の近傍には、下内壁部97から上方に向けて延びる上方壁部96が設けられている。すなわち、下方壁部95および上方壁部96が、互いに反対方向に延ばされて対向して配置されている。   A hollow portion 93 is provided in the mechanism main body 86. The first parallel spring 101 is provided at the end of the upper inner wall portion 94 of the cavity portion 93 in the X direction where the main body fixing portion 91 is provided, and the extending portion 87 is provided. On the other end, a second parallel spring 102 is provided. On the other hand, of the both ends in the X direction of the lower inner wall 97, the third parallel spring 103 is provided at the end where the extending portion 87 is provided, and the end where the main body fixing portion 91 is provided. A fourth parallel spring 104 is provided. Further, a lower wall portion 95 extending downward from the upper inner wall portion 94 is provided in the vicinity of the second parallel spring 102, and upward from the lower inner wall portion 97 in the vicinity of the fourth parallel spring 104. An upper wall 96 extending in the direction is provided. That is, the lower wall portion 95 and the upper wall portion 96 are extended in opposite directions to be opposed to each other.

そして、これら下方壁部95と上方壁部96との間に、一端が下方壁部95に固定され、他端が上方壁部96に固定されて、X方向に向けられた積層型のZ側圧電素子90が配置され、Z駆動部(第2の駆動部)85が構成される。   And between these lower wall part 95 and the upper wall part 96, one end is fixed to the lower wall part 95, and the other end is fixed to the upper wall part 96. The piezoelectric element 90 is disposed, and a Z drive unit (second drive unit) 85 is configured.

Z駆動部85は、図3で上述したX駆動部52およびY駆動部51とは、物理的に分離して別個に設けられたものであり、それぞれ独立して機能するものである。   The Z drive unit 85 is physically separated and provided separately from the X drive unit 52 and the Y drive unit 51 described above with reference to FIG. 3, and functions independently.

さらに、機構本体部86の下端には、X方向に延びる底壁部107が設けられている。この底壁部107のX方向の両端のうち、本体固定部91が設けられた方の端部は、機構本体部86の側壁に一体的に固定されており、延出部87が設けられた方の端部は、自由端となっている。この底壁部107の先端部には、演算部83に接続されたZ方向微動量検出部108が設けられている。Z方向微動量検出部108には、静電容量センサが用いられるが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージや光学式変位系、差動トランスなどでもよい。   Furthermore, a bottom wall 107 extending in the X direction is provided at the lower end of the mechanism main body 86. Of the two ends in the X direction of the bottom wall portion 107, the end portion on which the main body fixing portion 91 is provided is integrally fixed to the side wall of the mechanism main body portion 86, and the extending portion 87 is provided. One end is a free end. A Z-direction fine movement amount detection unit 108 connected to the calculation unit 83 is provided at the tip of the bottom wall 107. Although a capacitance sensor is used for the Z-direction fine movement amount detection unit 108, the present invention is not limited to this, and a strain gauge, an optical displacement system, a differential transformer, or the like may be used.

このような構成のもと、Z側圧電素子90に電圧を印加すると、Z側圧電素子90が伸縮するようになっている。そして、Z側圧電素子90が伸びると、下方壁部95および上方壁部96がX方向外方に押圧され、上方壁部96は固定端付近を中心に図4における時計方向に回転するとともに、下方壁部95も固定端付近を中心に時計方向に回転し、結果として、第1から第4の平行バネ101、102、103、104に案内されて、延出部87がZ方向に移動し、延出部87に連結されたサンプルホルダ16がZ方向に移動するようになっている。このとき、Z方向微動量検出部108により、機構本体部86の微動量が検出されるようになっている。すなわち、Z方向微動量検出部108は、Z駆動部の底面の動きを検出し、機構本体部86を介して、サンプルホルダ16のZ方向の微動量を検出する微動量検出手段として機能するものである。そして、演算部83が、Z方向微動量検出部108の検出結果に応じて、印加された電圧と実際の微動量とによって、サンプルホルダ16のZ方向の微動量の誤差を算出するようになっている。この算出結果は制御部84に入力され、この制御部84によって、印加電圧に対して、ステージ微動機構部27が線形に動作するように制御される。   Under such a configuration, when a voltage is applied to the Z-side piezoelectric element 90, the Z-side piezoelectric element 90 expands and contracts. When the Z-side piezoelectric element 90 is extended, the lower wall portion 95 and the upper wall portion 96 are pressed outward in the X direction, and the upper wall portion 96 rotates around the fixed end in the clockwise direction in FIG. The lower wall portion 95 also rotates clockwise around the fixed end, and as a result, is guided by the first to fourth parallel springs 101, 102, 103, 104, and the extension portion 87 moves in the Z direction. The sample holder 16 connected to the extending portion 87 moves in the Z direction. At this time, the fine movement amount of the mechanism main body 86 is detected by the Z-direction fine movement detection unit 108. That is, the Z-direction fine movement amount detection unit 108 functions as fine movement amount detection means that detects the movement of the bottom surface of the Z drive unit and detects the fine movement amount of the sample holder 16 in the Z direction via the mechanism main body 86. It is. Then, the calculation unit 83 calculates an error in the fine movement amount in the Z direction of the sample holder 16 based on the applied voltage and the actual fine movement amount in accordance with the detection result of the Z direction fine movement amount detection unit 108. ing. The calculation result is input to the control unit 84, and the control unit 84 controls the stage fine movement mechanism unit 27 to operate linearly with respect to the applied voltage.

なお、Z方向については、単にZ方向微動量検出部108により微動量を検出し、それを走査型プローブ顕微鏡像の高さ上方として表示させてもよい。   As for the Z direction, the amount of fine movement may be simply detected by the Z direction fine movement amount detection unit 108 and displayed as being above the height of the scanning probe microscope image.

このように構成されたサンプル微動機構27は、小型かつ高剛性であり、プローブ微動機構部26に比べて共振周波数が高く高速動作が可能となっている。   The sample fine movement mechanism 27 configured as described above is small and highly rigid, and has a higher resonance frequency than that of the probe fine movement mechanism section 26 and can operate at high speed.

さらに、本実施例においては、図1に示すように、スペースJに対物レンズ10が設けられている。すなわち、倒立顕微鏡部8の上端に、レボルバ(配置変更手段)9が設けられており、このレボルバ9に、それぞれ倍率の異なる複数の対物レンズ10が設けられている。そして、レボルバ9を回すことにより、複数の対物レンズ10の配置が変更されるようになっており、複数の対物レンズ10をスペースJ内の観察位置Kに選択的に配置することができるようになっている。   Further, in this embodiment, as shown in FIG. 1, an objective lens 10 is provided in the space J. That is, a revolver (arrangement changing means) 9 is provided at the upper end of the inverted microscope unit 8, and a plurality of objective lenses 10 having different magnifications are provided on the revolver 9. The arrangement of the plurality of objective lenses 10 is changed by rotating the revolver 9 so that the plurality of objective lenses 10 can be selectively arranged at the observation position K in the space J. It has become.

ここでの観察位置Kとは、サンプルホルダ16の下方であって、サンプルホルダ開口部17に一致する位置をいい、試料Sを観察するための位置とする。   Here, the observation position K is a position below the sample holder 16 and coincides with the sample holder opening 17 and is a position for observing the sample S.

また、対物レンズ10は、観察位置Kにおいて、倒立顕微鏡8に設けられたフォーカシングダイヤル8aを操作することによりZ方向に上下動することができるようになっている。   The objective lens 10 can be moved up and down in the Z direction by operating a focusing dial 8a provided in the inverted microscope 8 at the observation position K.

複数の対物レンズをレボルバの回転により交換する際に、対物レンズの軌道と走査型プローブ顕微鏡ユニット4、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3が干渉しないように、サンプル微動機構27とベースプレート13には逃げが設けられている。   When exchanging a plurality of objective lenses by rotating the revolver, the sample fine movement mechanism 27 and the base plate 13 escape so that the trajectory of the objective lens does not interfere with the scanning probe microscope unit 4 and the scanning probe microscope unit base 3. Is provided.

ここで、対物レンズ10はサンプルSに焦点を合わせた状態で交換をする場合が多い。このときベースプレート13との干渉をなくすためにはベースプレートの厚さを薄くする必要がある。本発明では、光学顕微鏡部8と走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3を独立して構成しているため、ベースプレート13の面積を大きくすることができ、ベースプレート13中央部以外の部分の肉厚を厚くすることができ、さらに、厚くすることで質量が重くなっても、光学顕微鏡部8とは独立した支柱12によりベースプレートを支えることができるため、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3に高い剛性を確保させることが可能となった。   Here, the objective lens 10 is often replaced with the sample S in focus. At this time, in order to eliminate interference with the base plate 13, it is necessary to reduce the thickness of the base plate. In the present invention, since the optical microscope unit 8 and the scanning probe microscope unit base unit 3 are configured independently, the area of the base plate 13 can be increased, and the thickness of the portion other than the central portion of the base plate 13 is increased. In addition, even if the mass is increased by increasing the thickness, the base plate can be supported by the support column 12 independent of the optical microscope unit 8, so that the scanning probe microscope unit base unit 3 has high rigidity. It became possible to make it.

以上のように構成された走査型プローブ顕微鏡では、走査型プローブ顕微鏡ユニット4とZ軸粗動機構110を薄く構成でき、さらにベースプレート13の下側に対物レンズ10を交換可能に配置できるスペースを有しているため、走査型プローブ顕微鏡ユニット4をコンデンサレンズ41と対物レンズ間の狭い空間に入れることができ、光学顕微鏡の性能を十分に活用でき位置合わせ精度を向上させることができる。   In the scanning probe microscope configured as described above, the scanning probe microscope unit 4 and the Z-axis coarse movement mechanism 110 can be configured to be thin, and there is a space in which the objective lens 10 can be exchangeably disposed below the base plate 13. Therefore, the scanning probe microscope unit 4 can be placed in a narrow space between the condenser lens 41 and the objective lens, the performance of the optical microscope can be fully utilized, and the alignment accuracy can be improved.

また、プローブ21はサンプル面に対して垂直に直進するため、Z軸に沿ってプローブ21とサンプルを近接させる際に光軸に沿って移動するため位置ずれが発生せず、光学顕微鏡で観察した場所への位置合わせ精度も向上する。   In addition, since the probe 21 moves straight along the sample surface, it moves along the optical axis when the probe 21 and the sample are brought close to each other along the Z axis. The alignment accuracy to the place is also improved.

また、プローブ微動機構26とサンプル微動機構27サンプル微動機構に取り付けられたサンプルホルダ16を含む走査型プローブ顕微鏡ユニット4とZ軸粗動機構110、XYステージ140、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3のベースプレート13の材料を実質的に同一とし、温度によるひずみの少ない低膨張金属であるインバー材(熱膨張係数0.5〜2×10-6/K)により構成し、温度によるひずみ自体を抑えるとともに、ひずみが生じた場合でもお互いにひずみ量を補償しあえるように構成した。 The probe fine movement mechanism 26, the sample fine movement mechanism 27, the scanning probe microscope unit 4 including the sample holder 16 attached to the sample fine movement mechanism, the Z-axis coarse movement mechanism 110, the XY stage 140, and the scanning probe microscope unit base 3 The base plate 13 is made of substantially the same material and is made of an invar material (thermal expansion coefficient 0.5 to 2 × 10 −6 / K), which is a low expansion metal with little strain due to temperature, and suppresses strain due to temperature itself. Even when a strain occurs, it is configured to compensate each other for the amount of strain.

ここで、実質的に同一とは、ユニットの構成上100%同じ材料で構成することは不可能であるため、本実施例においては走査型プローブ顕微鏡ユニット4とZ軸粗動機構110、XYステージ140、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3のベースプレート13の合計質量のうち80%をインバー材で構成した。   Here, since it is impossible to make the material substantially the same with 100% of the same material, the scanning probe microscope unit 4, the Z-axis coarse movement mechanism 110, and the XY stage are used in this embodiment. 140, 80% of the total mass of the base plate 13 of the scanning probe microscope unit base part 3 was made of Invar material.

例えば、プローブ微動機構26に取り付けられるカンチレバーホルダー22のフレームは軽さを重視してチタンで構成し、ガラスホルダ23を保持している。また、Z軸粗動機構部110のガイド部やモータ駆動部112、サンプル機構部27やプローブ微動機構部26の圧電素子、各ユニットに使用されているネジ、プローブ変位検出手段44、45などはコストや機能上の問題によりインバー材以外の材料を用いた。   For example, the frame of the cantilever holder 22 attached to the probe fine movement mechanism 26 is made of titanium with an emphasis on lightness, and holds the glass holder 23. Also, the guide part of the Z-axis coarse movement mechanism part 110, the motor drive part 112, the piezoelectric elements of the sample mechanism part 27 and the probe fine movement mechanism part 26, screws used in each unit, probe displacement detection means 44, 45, etc. Due to cost and functional problems, materials other than Invar were used.

また、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部3の支柱12は温度により膨張収縮しても走査型プローブ顕微鏡像自体には影響を与えないため、ステンレスにより構成しコストを削減したが、テーブル13と同じインバー材で構成してもよい。   Further, since the column 12 of the scanning probe microscope unit base 3 does not affect the scanning probe microscope image itself even if it expands and contracts due to temperature, it is made of stainless steel and the cost is reduced. You may comprise with material.

なお、低膨張金属としては、Fe−32Ni−5Coを成分とするスーパーインバー材(熱膨張係数0〜1.5×10-6/K)を用いてもよい。また、低膨張材料以外でも、実質的に同一材料であれば、温度によるひずみ量をお互いに補償しあえるため温度ドリフトを抑制することが可能である。 In addition, as a low expansion metal, you may use the super invar material (thermal expansion coefficient 0-1.5 * 10 < -6 > / K) which uses Fe-32Ni-5Co as a component. In addition, other than the low expansion material, if the material is substantially the same, the amount of strain due to temperature can be compensated for each other, so that temperature drift can be suppressed.

次に、このように構成された本実施例における光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡1の作用について説明する。   Next, the operation of the scanning probe microscope 1 having the optical microscope according to the present embodiment configured as described above will be described.

まず、走査型プローブ顕微鏡ユニット4をZ軸粗動機構110から外し、Z軸粗動機構の正面側からサンプルホルダ16にサンプルSに載置する。そして、走査型プローブ顕微鏡ユニット4をZ軸粗動機構110上のXYステージ140に固定する。そして光源40からサンプルSに向けて照明光を照射する。その照明光は、プローブ側貫通孔70を通り、サンプルSを透過して、さらにサンプルホルダ側開口部17を通ることにより、観察位置Kに配された対物レンズ10に到達する。これによって、対物レンズ10を介して、サンプルSの状態が観察が可能となり、XYステージ31により光学顕微鏡8全体を動かして、サンプルS上の被測定箇所を特定させる。   First, the scanning probe microscope unit 4 is removed from the Z-axis coarse movement mechanism 110 and placed on the sample S on the sample holder 16 from the front side of the Z-axis coarse movement mechanism. Then, the scanning probe microscope unit 4 is fixed to the XY stage 140 on the Z-axis coarse movement mechanism 110. Then, illumination light is irradiated from the light source 40 toward the sample S. The illumination light passes through the probe-side through hole 70, passes through the sample S, and further passes through the sample holder-side opening 17, thereby reaching the objective lens 10 disposed at the observation position K. As a result, the state of the sample S can be observed through the objective lens 10, and the entire optical microscope 8 is moved by the XY stage 31 to specify the measurement site on the sample S.

このとき、レボルバ9を回すと、当初の対物レンズ10がスペースJを通って観察位置Kから外れ、他の対物レンズ10が観察位置Kに配置される。これにより、適切な倍率の対物レンズ10が選択される。   At this time, when the revolver 9 is turned, the original objective lens 10 moves out of the observation position K through the space J, and the other objective lens 10 is arranged at the observation position K. Thereby, the objective lens 10 having an appropriate magnification is selected.

また、フォーカシングダイヤル8aを操作すると、対物レンズ10が上方に移動し、対物レンズ10がサンプルSに近接し、フォーカシングすることができる。   When the focusing dial 8a is operated, the objective lens 10 moves upward, the objective lens 10 comes close to the sample S, and focusing can be performed.

これによってサンプルSの光学的観察が行われ、この結果に応じて、プローブ顕微鏡による測定が行われる。   As a result, the sample S is optically observed, and according to the result, measurement by the probe microscope is performed.

プローブ顕微鏡による測定を行うには、サンプルSの表面とプローブ21の位置を、倒立顕微鏡8の光学像を見ながら、プローブ位置調整機構140で位置合わせをする。   In order to perform measurement with the probe microscope, the position of the surface of the sample S and the position of the probe 21 are aligned by the probe position adjusting mechanism 140 while viewing the optical image of the inverted microscope 8.

次に、レーザ光源44およびフォトディテクタ45の位置を調整する。すなわち、レーザ光源44から照射したレーザ光Lが、カンチレバー20の上面で反射し、フォトディテクタ45に確実に入射するよう位置調整を行う。   Next, the positions of the laser light source 44 and the photo detector 45 are adjusted. That is, position adjustment is performed so that the laser light L emitted from the laser light source 44 is reflected by the upper surface of the cantilever 20 and is incident on the photodetector 45 reliably.

尚、このプローブ変位検出手段であるレーザ光源とフォトディテクタの調整は、初めに行っておいてもよい。   The adjustment of the laser light source and the photodetector, which are the probe displacement detection means, may be performed first.

その後、側面からサンプルSとプローブ21を目視観察しながら、モーター123を駆動して、Z軸粗動機構部110により、カンチレバー20を粗動移動させて、カンチレバー20をサンプルに接近させる。そして、カンチレバー20先端部のプローブ21をサンプルSの表面近傍に位置させる。   Thereafter, while visually observing the sample S and the probe 21 from the side, the motor 123 is driven, the cantilever 20 is coarsely moved by the Z-axis coarse movement mechanism 110, and the cantilever 20 is brought close to the sample. Then, the probe 21 at the tip of the cantilever 20 is positioned near the surface of the sample S.

この状態から、不図示の加振手段により、カンチレバー20を介してプローブ21を、Z方向に沿って所定の周波数および振幅で振動させる。   From this state, the probe 21 is vibrated at a predetermined frequency and amplitude along the Z direction via the cantilever 20 by a vibration means (not shown).

そして、図3に示すX側圧電素子61およびY側圧電素子54に電圧を印加する。すると、X側圧電素子61およびY側圧電素子54が伸縮し、X側変位拡大機構部62およびY側変位拡大機構部55を介して、内フレーム49がXY方向に微動する。これにより、プローブ21がサンプルS上を所定の走査速度でラスタースキャンする。   Then, a voltage is applied to the X-side piezoelectric element 61 and the Y-side piezoelectric element 54 shown in FIG. Then, the X-side piezoelectric element 61 and the Y-side piezoelectric element 54 expand and contract, and the inner frame 49 slightly moves in the XY direction via the X-side displacement enlarging mechanism 62 and the Y-side displacement enlarging mechanism 55. As a result, the probe 21 performs a raster scan on the sample S at a predetermined scanning speed.

このとき、内フレーム49がXY方向に微動すると、X方向ターゲット81およびY方向ターゲット78がそれぞれX方向、Y方向に微動し、そのX、Y方向の微動量がX方向センサ81およびY方向センサ78によって検出される。これら検出結果は演算部83に入力されて、カンチレバー20のXY方向の微動量の誤差が算出され、この算出結果が制御部84に入力される。このように、XY方向の微動量を補正することによって、X側圧電素子61やY側圧電素子54のヒステリシスやクリープに影響されず、XY方向に線形に動作する。   At this time, if the inner frame 49 is finely moved in the XY direction, the X direction target 81 and the Y direction target 78 are finely moved in the X direction and the Y direction, respectively, and the fine movement amounts in the X and Y directions are the X direction sensor 81 and the Y direction sensor. 78. These detection results are input to the calculation unit 83 to calculate an error in the fine movement amount of the cantilever 20 in the X and Y directions, and this calculation result is input to the control unit 84. As described above, by correcting the fine movement amount in the XY directions, the movement is linear in the XY directions without being affected by the hysteresis and creep of the X-side piezoelectric element 61 and the Y-side piezoelectric element 54.

走査の際、サンプルSの凹凸に応じて、プローブ21とサンプルSの表面との距離が変化すると、原子間力や間欠的な接触力によりプローブ21が斥力または引力を受けるので、カンチレバー20の振動状態が変化し、振巾や位相が変化する。この振巾や位相の変化は、フォトディテクタ45の異なる2対の分割面の出力差(DIF信号と呼ぶ)として検出される。このDIF信号は、不図示のZ電圧フィードバック回路に入力される。そして、Z電圧フィードバック回路は、DIF信号により振巾や位相が同じになるように、図4に示すZ側圧電素子90に電圧を印加する。   When scanning, if the distance between the probe 21 and the surface of the sample S changes according to the unevenness of the sample S, the probe 21 receives a repulsive force or an attractive force due to an atomic force or an intermittent contact force. The state changes, and the amplitude and phase change. This change in amplitude and phase is detected as an output difference (referred to as a DIF signal) between two different pairs of divided surfaces of the photodetector 45. This DIF signal is input to a Z voltage feedback circuit (not shown). The Z voltage feedback circuit applies a voltage to the Z-side piezoelectric element 90 shown in FIG. 4 so that the amplitude and phase are the same by the DIF signal.

Z側圧電素子90は、電圧が印加されることにより高速で伸縮を繰り返す。Z側圧電素子90が伸縮すると、延出部87を介してサンプルホルダ16が非常に高い周波数でZ方向に移動し、サンプルホルダ16上のサンプルSがZ方向に移動する。これにより、上記走査の際、プローブ21とサンプルSの表面との間の距離が常に一定に保たれる。   The Z-side piezoelectric element 90 repeats expansion and contraction at a high speed when a voltage is applied. When the Z-side piezoelectric element 90 expands and contracts, the sample holder 16 moves in the Z direction at a very high frequency via the extending portion 87, and the sample S on the sample holder 16 moves in the Z direction. Thereby, the distance between the probe 21 and the surface of the sample S is always kept constant during the scanning.

また、サンプルホルダ16がZ方向に移動すると、Z方向微動量検出部108により、機構本体部86の微動量が検出され、この検出結果に応じて、サンプルホルダ16のZ方向の微動量の誤差が算出される。そして、その算出結果が制御部84に入力され、Z方向に線形に動作させることができる。   When the sample holder 16 moves in the Z direction, the fine movement amount of the mechanism main body 86 is detected by the Z direction fine movement amount detection unit 108, and an error in the fine movement amount of the sample holder 16 in the Z direction according to the detection result. Is calculated. Then, the calculation result is input to the control unit 84 and can be operated linearly in the Z direction.

なお、Z方向移動量検出部108により微動量を検出し、それをSPM像の高さ情報として表示させてもよい。この場合、より高速走査が可能となる。   The fine movement amount may be detected by the Z direction movement amount detection unit 108 and displayed as height information of the SPM image. In this case, faster scanning is possible.

このようにして、X側、Y側、Z側圧電素子61、54、90に印加した電圧、またはX方向、Y方向、Z方向センサ81、78、108の信号を制御部84に入力し、画像化することでサンプルSの表面の形状像を測定することができる。また、プローブ21とサンプルSとの間に働くいろいろな力や物理作用を測定することで、粘弾性、サンプルSの表面電位分布、サンプルSの表面の漏れ磁界分布、近接場光学像等の各種の物性情報の測定を行うことができる。   In this way, the voltage applied to the X-side, Y-side, and Z-side piezoelectric elements 61, 54, and 90, or the signals of the X-direction, Y-direction, and Z-direction sensors 81, 78, and 108 are input to the control unit 84, The shape image of the surface of the sample S can be measured by imaging. Further, by measuring various forces and physical actions acting between the probe 21 and the sample S, various kinds of viscoelasticity, surface potential distribution of the sample S, leakage magnetic field distribution on the surface of the sample S, near-field optical image, and the like. Measurement of physical property information can be performed.

以上のように走査型プローブ顕微鏡を構成することで、装置剛性を確保でき、その結果、音や床振動の影響が抑制されて走査型プローブ顕微鏡の測定精度が向上する。   By configuring the scanning probe microscope as described above, the apparatus rigidity can be secured, and as a result, the influence of sound and floor vibration is suppressed, and the measurement accuracy of the scanning probe microscope is improved.

また、対物レンズや対物レンズ交換機能、高効率の照明装置など市販の顕微鏡が有する機能をそのまま用いることができるため、システムの取扱も容易となる。   Further, since the functions of a commercially available microscope such as an objective lens, an objective lens exchange function, and a high-efficiency illumination device can be used as they are, the system can be handled easily.

次に、本発明の第2の実施例について説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described.

図6は、本発明の第2の実施例を示したものである。   FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention.

図6において、図1から図5に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。   In FIG. 6, the same components as those shown in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

この実施例と上記第1の実施例とは基本的構成は同一であり、以下の点において異なるものとなっている。   This embodiment and the first embodiment have the same basic configuration, and differ in the following points.

すなわち、本実施例における走査型プローブ顕微鏡1は、正立顕微鏡と組み合わせたものである。すなわち、正立顕微鏡8には光源40が設けられ、光源40の上端にはコンデンサレンズ41が設けられている。また、コンデンサレンズ41の上方にはステージ微動機構部27が設けられている。ステージ微動機構部27は円筒状のZ側圧電素子34からなり、Z側圧電素子34はZ方向に向けて設置されている。Z側圧電素子34には、Z方向に向けられた筒孔(ステージ側貫通孔)33が形成されており、この筒孔33に光源40からの照明光が通されるようになっている。   That is, the scanning probe microscope 1 in this embodiment is combined with an upright microscope. That is, the upright microscope 8 is provided with a light source 40, and a condenser lens 41 is provided at the upper end of the light source 40. A stage fine movement mechanism 27 is provided above the condenser lens 41. The stage fine movement mechanism unit 27 includes a cylindrical Z-side piezoelectric element 34, and the Z-side piezoelectric element 34 is installed in the Z direction. The Z-side piezoelectric element 34 is formed with a cylindrical hole (stage-side through-hole) 33 directed in the Z direction, and illumination light from the light source 40 is passed through the cylindrical hole 33.

また、プローブ微動機構部26の上方には、観察位置Kに対物レンズ10が設けられている。ここでの観察位置Kとは、プローブ微動機構部26の上方から、カンチレバー20または試料Sを観察する位置をいう。対物レンズ10は、観察位置Kにおいて上下動するようになっており、下方に移動させると、プローブ微動機構26の内部空間に挿入されるようになっている。   The objective lens 10 is provided at the observation position K above the probe fine movement mechanism unit 26. Here, the observation position K refers to a position where the cantilever 20 or the sample S is observed from above the probe fine movement mechanism 26. The objective lens 10 is moved up and down at the observation position K. When the objective lens 10 is moved downward, the objective lens 10 is inserted into the internal space of the probe fine movement mechanism 26.

このような構成のもと、光源40からの照明光は、筒孔33を通って試料Sを透過する。また、対物レンズ10を下方に移動させて、プローブ側貫通孔70の方向に挿入すると、対物レンズ10はカンチレバー20または試料Sに近接する。   Under such a configuration, the illumination light from the light source 40 passes through the sample S through the cylindrical hole 33. When the objective lens 10 is moved downward and inserted in the direction of the probe-side through hole 70, the objective lens 10 comes close to the cantilever 20 or the sample S.

以上より、ステージ微動機構部27には筒孔33が設けられ、この筒孔110に照明光を通していることから、照明光の進行を邪魔することなく、高精度に測定することができる。   As described above, the stage fine movement mechanism portion 27 is provided with the cylindrical hole 33, and the illumination light is passed through the cylindrical hole 110, so that the measurement can be performed with high accuracy without disturbing the progress of the illumination light.

ここで、Z軸粗動機構110とXYステージ140は第一の実施例と同じものを用いており、Z軸粗動機構110の中空開口部113内に走査型プローブ顕微鏡ユニット4が配置されているため、光軸方向の高さを薄く構成でき、対物レンズ10を、中空開口部113内のプローブ側微動機構26内部に挿入することができることから、カンチレバー20や試料Sに対物レンズ10を一層近接させることができ、高NAの対物レンズを設けて高精度な測定を行うことができる。   Here, the Z-axis coarse movement mechanism 110 and the XY stage 140 are the same as those in the first embodiment, and the scanning probe microscope unit 4 is disposed in the hollow opening 113 of the Z-axis coarse movement mechanism 110. Therefore, the height in the optical axis direction can be reduced, and the objective lens 10 can be inserted into the probe-side fine movement mechanism 26 in the hollow opening 113, so that the objective lens 10 is further attached to the cantilever 20 and the sample S. It is possible to make them close to each other, and a high-precision objective lens can be provided to perform highly accurate measurement.

本発明の走査型プローブ顕微鏡のZ軸粗動機構の構造は第一の実施例、第二の実施例の形状に限定されず例えば図7に示すように平面視「U」字形状のものなども考えられる。また、外周部から内周部への切欠は必ずしも上面から底面にかけて貫通する必要はない。図8はこの場合の一実施例で、図8(a)はZ軸粗動機構形状を表す平面図、図8(b)は正面図である。この図のように正面視して底面から高さ方向の中間部分までのみが外周から内周にかけて切欠160を持っているような構造でもよい。また、Z軸粗動機構とXYステージの機構は上記実施例に限定されるものではない。  The structure of the Z-axis coarse movement mechanism of the scanning probe microscope of the present invention is not limited to the shapes of the first embodiment and the second embodiment. For example, as shown in FIG. Is also possible. Further, the notch from the outer peripheral portion to the inner peripheral portion does not necessarily have to penetrate from the top surface to the bottom surface. FIG. 8 is an example of this case, FIG. 8 (a) is a plan view showing the shape of the Z-axis coarse movement mechanism, and FIG. 8 (b) is a front view. As shown in this figure, the structure may have a notch 160 from the outer periphery to the inner periphery only from the bottom to the middle in the height direction when viewed from the front. Further, the Z-axis coarse movement mechanism and the XY stage mechanism are not limited to the above embodiments.

また、プローブをZ軸粗動機構により動作させるようにしたが、サンプル側をZ軸粗動機構により動作させて、プローブに近づける構成でもよい。 In addition, the probe is operated by the Z-axis coarse movement mechanism, but the configuration may be such that the sample side is moved by the Z-axis coarse movement mechanism to be close to the probe.

また、光学顕微鏡は必須の要素ではなく、走査型プローブ顕微鏡のみでもよい。また、光学顕微鏡と組み合わせ場合には、光学顕微鏡のフレームに走査型プローブ顕微鏡ユニットを載せてもよい。   Further, the optical microscope is not an essential element, and only a scanning probe microscope may be used. In combination with an optical microscope, a scanning probe microscope unit may be mounted on the frame of the optical microscope.

また、上記第1および第2の実施例では、X側圧電素子61、Y側圧電素子54およびZ側圧電素子90を積層型の圧電素子としたが、これに限ることはなく、適宜変更可能である。例えば、スタック型の圧電素子としたり、またはボイスコイルなどを用いたりすることも可能である。   In the first and second embodiments, the X-side piezoelectric element 61, the Y-side piezoelectric element 54, and the Z-side piezoelectric element 90 are laminated piezoelectric elements. However, the present invention is not limited to this, and can be changed as appropriate. It is. For example, a stack type piezoelectric element or a voice coil can be used.

また、プローブ微動機構部26とステージ微動機構部27を一体構造としてもよい。   The probe fine movement mechanism unit 26 and the stage fine movement mechanism unit 27 may be integrated.

また、DFMモードによる観察としたが、これに限ることはなく、コンタクトAFMなどの種々のモードに適用可能である。さらに、近接場顕微鏡にも適用することができる。近接場顕微鏡に適用すると、高NAの対物レンズを使用することができるため、近接場信号の集光効率を向上させることができる。   In addition, although observation is performed in the DFM mode, the present invention is not limited to this, and can be applied to various modes such as contact AFM. Furthermore, it can be applied to a near-field microscope. When applied to a near-field microscope, an objective lens having a high NA can be used, so that the efficiency of collecting near-field signals can be improved.

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第1実施例を示す構成図であり、(a)は正面図、(b)は(a)において符号Aによって示す領域の拡大図である。It is a block diagram which shows 1st Example of the scanning probe microscope which concerns on this invention, (a) is a front view, (b) is an enlarged view of the area | region shown with the code | symbol A in (a). 図1に示す走査型プローブ顕微鏡のZ軸粗動機構とXYステージの構成図であり、(a)は平面図。It is a block diagram of the Z-axis coarse movement mechanism and XY stage of the scanning probe microscope shown in FIG. 1, (a) is a top view. (b)は正面図、(c)は(a)のB−B線断面図である。(B) is a front view, (c) is a BB line sectional view of (a). 図1に示す走査型プローブ顕微鏡のプローブ微動機構部を示す平面図である。It is a top view which shows the probe fine movement mechanism part of the scanning probe microscope shown in FIG. 図1に示す走査型プローブ顕微鏡のサンプル微動機構部を示す平面図である。It is a top view which shows the sample fine movement mechanism part of the scanning probe microscope shown in FIG. 図3に示す走査型プローブ顕微鏡のサンプル微動機構部を示す底面図である。It is a bottom view which shows the sample fine movement mechanism part of the scanning probe microscope shown in FIG. 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第2実施例を示す正面図である。It is a front view which shows 2nd Example of the scanning probe microscope which concerns on this invention. 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第3実施例のZ軸粗動機構の形状を示す平面図である。It is a top view which shows the shape of the Z-axis coarse movement mechanism of 3rd Example of the scanning probe microscope which concerns on this invention. 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第4実施例のZ軸粗動機構を示す構成図であり、(a)は平面図、(b)は正面図である。It is a block diagram which shows the Z-axis coarse movement mechanism of 4th Example of the scanning probe microscope which concerns on this invention, (a) is a top view, (b) is a front view. 従来の走査型プローブ顕微鏡の第一の概観図である。It is the 1st general-view figure of the conventional scanning probe microscope. 従来の走査型プローブ顕微鏡の第二の概観図であって、(a)は概観図、(b)は(a)の走査型プローブ顕微鏡部の詳細図である。It is the 2nd general-view figure of the conventional scanning probe microscope, Comprising: (a) is a general-view figure, (b) is a detailed figure of the scanning probe microscope part of (a).

符号の説明Explanation of symbols

1 走査型プローブ顕微鏡
2 除振台
3 走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部
4 走査型プローブ顕微鏡ユニット
5 照明装置
8 光学顕微鏡部(倒立顕微鏡)
9 レボルバ
10 対物レンズ
12 支柱
13 ベースプレート
16 サンプルホルダ
20 カンチレバー
21 プローブ
22 カンチレバーホルダー
26 プローブ微動機構
27 サンプル微動機構
30 クランク固定部
31 XYステージ
40 光源
41 コンデンサレンズ
42 照明用支柱
44 レーザ光源(プローブ変位検出手段)
45 フォトダイオード(プローブ変位検出手段)
50 光学顕微鏡フレーム部
110 Z軸粗動機構部
111 ベース
112 モーター駆動部
113 中空開口部
117 水平移動部
119 垂直移動部
121 上面移動テーブル
123 ステッピングモータ
125 ボールネジ
140 XYステージ(プローブ位置調整機構)
141 X移動テーブル
142 Y移動テーブル
S サンプル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Scanning probe microscope 2 Vibration isolator 3 Scanning probe microscope unit base part 4 Scanning probe microscope unit 5 Illuminating device 8 Optical microscope part (inverted microscope)
9 Revolver 10 Objective lens 12 Strut 13 Base plate 16 Sample holder 20 Cantilever 21 Probe 22 Cantilever holder 26 Probe fine movement mechanism 27 Sample fine movement mechanism 30 Crank fixing part 31 XY stage 40 Light source 41 Condenser lens 42 Illumination post 44 Laser light source (probe displacement detection) means)
45 Photodiode (probe displacement detection means)
50 Optical microscope frame part 110 Z axis coarse movement mechanism part 111 Base 112 Motor drive part 113 Hollow opening part 117 Horizontal movement part 119 Vertical movement part 121 Upper surface movement table 123 Stepping motor 125 Ball screw 140 XY stage (probe position adjustment mechanism)
141 X movement table 142 Y movement table S Sample

Claims (12)

プローブとサンプル表面とを近接させるZ軸粗動機構と、前記サンプルを載置するサンプルホルダと、前記プローブを固定するプローブホルダと、を有する走査型プローブ顕微鏡ユニットと、
該走査型プローブ顕微鏡ユニットを支持するベースプレートと、を備えた走査型プローブ顕微鏡において、
前記Z軸粗動機構が、前記サンプル面内と垂直な方向に移動する上面移動テーブルと、該Z軸粗動機構の底面に配され前記ベースプレート上に直接固定されたたベース部と、前記上面移動テーブルから前記ベース部にかけて設けられた中空開口部と、該中空開口部の周囲を取り囲む前記Z軸粗動機構側面の外周部から内周部にかけて設けられた切欠きから構成され、
前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの前記サンプルホルダ又は前記プローブホルダのうちいずれか一方のみを含む前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの少なくとも一部が前記上面移動テーブルを介して前記中空開口部に配置されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
A scanning probe microscope unit having a Z-axis coarse movement mechanism for bringing the probe and the sample surface close to each other, a sample holder for placing the sample, and a probe holder for fixing the probe;
A scanning probe microscope comprising: a base plate supporting the scanning probe microscope unit;
The Z-axis coarse adjustment mechanism includes a top surface moving table which moves the sample plane perpendicular direction, and a base portion which is fixed directly on the disposed on the bottom surface of the Z-axis coarse adjustment mechanism base plate, the upper surface It is composed of a hollow opening provided from the moving table to the base part, and a notch provided from the outer peripheral part to the inner peripheral part of the side surface of the Z-axis coarse movement mechanism surrounding the periphery of the hollow opening part ,
At least a part of the scanning probe microscope unit including only one of the sample holder or the probe holder of the scanning probe microscope unit is disposed in the hollow opening via the upper surface moving table. A scanning probe microscope.
前記上面移動テーブルを介して前記中空開口部に配置された前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに備わる前記プローブホルダに対向する側に透過孔を有するサンプルホルダが配置され、該サンプルホルダに対して前記プローブと対向する側に対物レンズが配置された請求項に記載の走査型プローブ顕微鏡。 A sample holder having a transmission hole is disposed on the side facing the probe holder provided in the scanning probe microscope unit disposed in the hollow opening via the upper surface moving table, and the probe is disposed on the sample holder. The scanning probe microscope according to claim 1 , wherein an objective lens is disposed on the opposite side. 前記上面移動テーブルを介して前記中空開口部に配置された前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに備わる前記サンプルホルダに対向するにプローブが配置され、該プローブに対して前記サンプルホルダと対向する位置に対物レンズが配置された請求項に記載の走査型プローブ顕微鏡。 A probe is disposed on the side facing the sample holder provided in the scanning probe microscope unit disposed in the hollow opening via the upper surface moving table, and an object is positioned at a position facing the sample holder with respect to the probe. The scanning probe microscope according to claim 1 , wherein a lens is disposed. 前記中空開口部に照明装置の一部または全部が配置されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 3, wherein a part or all of the illumination device is disposed in the hollow opening. 前記照明装置に、開口数0.5以上のコンデンサレンズが含まれることを特徴とする請求項に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to claim 4 , wherein the illumination device includes a condenser lens having a numerical aperture of 0.5 or more. 前記中空開口部に対物レンズまたは集光レンズが配置されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。 Scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the objective lens or a condenser lens is disposed in the hollow opening. 前記Z軸粗動機構が設置されるベースプレートにサンプルホルダまたはプローブのうちいずれか一方が固定され、前記サンプルホルダおよび前記ベースプレートおよび前記Z軸粗動機構および前記走査型プローブ顕微鏡ユニットが実質的に同一の材質で構成される請求項1乃至6のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。 Either the sample holder or the probe is fixed to the base plate on which the Z-axis coarse movement mechanism is installed, and the sample holder, the base plate, the Z-axis coarse movement mechanism, and the scanning probe microscope unit are substantially the same. scanning probe microscope according to any one of constituted claims 1 to 6 in the material. 前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの材質が、低膨張材料である請求項7に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 7, wherein a material of the scanning probe microscope unit is a low expansion material. 前記Z軸粗動機構および前記ベースプレートおよび前記サンプルホルダおよび前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの全質量のうち、80%以上が同一の材質で構成される請求項7又は8に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 7 or 8, wherein 80% or more of the total mass of the Z-axis coarse movement mechanism, the base plate, the sample holder, and the scanning probe microscope unit is made of the same material. 前記材質の熱膨張係数が4×10-6/K以下である請求項8又は9に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to claim 8 or 9, wherein a thermal expansion coefficient of the material is 4 × 10 -6 / K or less. 前記Z軸粗動機構が、上面移動テーブル面内と平行な方向に摺動可能で第一の傾斜部を有する水平移動部と、概第一の傾斜部と摺動可能に連結される第二の傾斜部を有し前記上面移動テーブルが固定され前記上面移動テーブル面内での動きが拘束され前記上面移動テーブル面内と直交する方向に移動可能に配置された垂直移動部から構成され、前記水平移動部を上面移動テーブル面と平行な方向に移動させ、前記第一の傾斜部により前記第二の傾斜部を押すことにより前記上面移動テーブルをテーブル面に垂直方向に移動させるように構成された請求項1乃至10のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。 The Z-axis coarse movement mechanism is slidably connected in a direction parallel to the surface of the upper surface moving table and has a first inclined portion, and a second slidably connected to the first inclined portion. The upper surface moving table is fixed, the movement in the upper surface moving table surface is restricted, and the vertical moving unit is arranged to be movable in a direction orthogonal to the upper surface moving table surface, The horizontal moving part is moved in a direction parallel to the upper surface moving table surface, and the second inclined part is pushed by the first inclined part to move the upper surface moving table in a direction perpendicular to the table surface. scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 10. 前記Z軸粗動機構の上面移動テーブル上に、上面移動テーブル面内で移動可能な第二のステージを固定し、該第二のステージを介して、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットが前記上面移動テーブルに固定された請求項1乃至11のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。 A second stage movable within an upper surface moving table surface is fixed on an upper surface moving table of the Z-axis coarse movement mechanism, and the scanning probe microscope unit is connected to the upper surface moving table via the second stage. scanning probe microscope according to any one of the fixed claims 1 to 11 in.
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